一種新型復(fù)合保溫隔聲管道包扎結(jié)構(gòu)
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作者：張毅
本文通過理論分析，提出了一種一重一輕雙層結(jié)構(gòu)分立式的復(fù)合保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)巧妙利用了密閉空氣層的絕熱保溫性能和隔聲性能的優(yōu)勢。同時，經(jīng)過軟件仿真與實驗驗證，證實了該結(jié)構(gòu)在保溫性能和隔聲性能方面與傳統(tǒng)管道隔聲包扎結(jié)構(gòu)的差異。
1 管道包扎結(jié)構(gòu)隔聲性能改善途徑
調(diào)研發(fā)現(xiàn)．曰前常見的管道保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)通常由多孔材料層和不透氣膜片護面板組成，主要應(yīng)用于500 Hz以上的管道隔聲降噪。其中，多孔材料層的作用是靠管道表面與纖維層之間的摩擦使管道振動受到阻尼、吸聲與隔聲、使管道振動不側(cè)向傳給不透氣層。
不透氣層的作用是隔聲（可按質(zhì)量定律計算）與保護。
對于低頻噪聲，管道會與材料層一起振動，且在某些頻率，不透聲層會與多孔材料層共振，輻射加強。因此，增大阻尼，減小共振，是改善目前管道隔聲性能的主要手段之一。
同時．將單層結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p層復(fù)合結(jié)構(gòu)也是手段之一．但是雙層結(jié)構(gòu)如果要獲得較高的隔聲量，其雙層結(jié)構(gòu)必須搭配恰當(dāng)。因此，要改善管道包扎結(jié)構(gòu)的隔聲性能，需采用一重一輕的組合，其優(yōu)勢在于面密度增加很少，而隔聲量提高顯著。這是由于：空氣層提供了附加隔聲量；兩層的厚度、重量不同使吻合低谷得到了補償。如果要提高低頻隔聲性能，需增加空氣層厚度，使共振頻率移到實用頻率范圍以下。
需要注意的是，如果在空氣層內(nèi)填放多孔吸聲材料．對于中高頻隔聲性能的提高確實有很大幫助，但對低頻隔聲量效果不明顯，在某些頻率，不透聲層可能會與多孔材料層共振，使低頻輻射增強。
2新型復(fù)合保溫隔聲管道包扎結(jié)構(gòu)開發(fā)
2.1 新結(jié)構(gòu)介紹
根據(jù)理論分析，得到新型復(fù)合保溫隔聲管道包扎結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1所示）。
以浙江國華浙能發(fā)電有限公司汽機房內(nèi)冷再管道（管道內(nèi)介質(zhì)溫度為425℃）為例。原始管道包扎結(jié)構(gòu)內(nèi)層為190 mm硅酸鋁針刺毯，外層以0.75 mm彩鋼板作為護面。如圖1所示，新型管道包扎結(jié)構(gòu)．從內(nèi)到外依次為：1為120 mm硅酸鋁針刺毯：2為0.75 mm彩鋼板；3為70 mm空氣層：4為70 mm硅膠減振支撐墊；5為2 mm環(huán)保阻尼隔聲氈；6為0.75 mm厚彩鋼板：7為管道內(nèi)部；8為管道壁�？偘穸燃s為190 mm,與原始管道保溫包扎結(jié)構(gòu)總厚度保持一致。
2.2 新材料說明
(1)環(huán)保阻尼隔聲氈。該材料是將EPDM橡膠、環(huán)保聚氯乙烯、無機礦物質(zhì)、鐵粉等材質(zhì)按照一定比例精制構(gòu)成。具有如下特點：①材料面密度大、超薄、柔韌、拉伸強度大；②具有良好的空氣聲隔音，可以吸收空氣傳播的噪聲能量．改變管道低頻噪聲的共振傳播；③良好的固體聲隔聲，能有效地防止并最大限度地隔絕機械設(shè)備振動及管道等產(chǎn)生的噪聲。
(2)硅膠減振支撐墊。硅膠具有卓越的耐高溫、低溫性能（工作溫度在-100～350℃），及優(yōu)異的耐臭氧老化、耐氧老化、耐光老化和耐天候老化性能。此外，它對許多材料不粘，可起隔離作用。
如前所述，擬采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)來提高管道包扎結(jié)構(gòu)的隔聲性能，但是雙層板結(jié)構(gòu)不可能獨立存在，需要某些結(jié)構(gòu)進行支撐。因此，不可避免地會產(chǎn)生聲橋效果，從而引起隔聲量的下降。聲橋的剛性越大，隔聲量下降也就越多。通常采取以下2種辦法，提高雙層結(jié)構(gòu)的隔聲量：(1)支撐結(jié)構(gòu)的厚度不宜小于50 mm,相鄰支撐結(jié)構(gòu)的距離不應(yīng)小于600 mm; (2)支撐結(jié)構(gòu)避免選用剛性材料，宜選用彈性材料。
從方便安裝與經(jīng)濟性角度考慮．選取橡膠減振墊作為支撐結(jié)構(gòu)較合適。在汽機房冷再管道進行施工時，橡膠隔振墊的膠種選取要具備一定特征：強度、延展性、耐磨性、耐高溫性均較好。研究證明，硅膠具備上述特征。
總之，將硅膠減振支撐墊作為空氣層結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)。在新型復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)中，將支撐結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置為70 mm．相鄰支撐結(jié)構(gòu)之間距離大于600 mm。
硅膠減振支撐墊的作用：(1)支撐作用，將空氣層兩側(cè)結(jié)構(gòu)分立；(2)硅膠為性能優(yōu)越的彈性材料，在一定程度上減小聲橋效應(yīng)；(3)硅膠減振支撐墊固定在空氣層內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)上，而與外側(cè)結(jié)構(gòu)無約束連接，進一步增加了內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)的重量(相當(dāng)于增加質(zhì)量塊），增大阻尼。
2.3新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)保溫性能對比分析
對于新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的傳熱仿真過程．利用ANSYS有限元分析軟件巾穩(wěn)態(tài)熱分析模塊( steady-state thermal)進行分析計算。建模過程中關(guān)于物性參數(shù)的設(shè)置，參考GB 50264-97《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》附錄A:常用絕熱材料性能。
2.3.1 現(xiàn)有包扎結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果
現(xiàn)有包扎結(jié)構(gòu)仿真模型說明：管道外徑1 168mm；內(nèi)徑788 mm;填充物厚度為190 mm,其導(dǎo)熱系數(shù)按照實際硅酸鋁針刺毯在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)進行梯度設(shè)定：0.75 mm厚彩鋼板的保溫性能忽略不計，導(dǎo)熱系數(shù)大于60 W/(m·K)，幾乎無熱損失。仿真結(jié)果如圖2所示。
仿真結(jié)果顯示，當(dāng)管道內(nèi)部溫度為425.0℃、環(huán)境溫度為25.0℃時，最外層表面溫度是54.0℃。現(xiàn)場資料顯示，實際測量溫度為49.5℃。仿真結(jié)果比實測結(jié)果高4.5℃。出現(xiàn)這種情況的原因是由于實際包扎所采用的硅酸鋁針刺毯的導(dǎo)熱系數(shù)與仿真所設(shè)置的導(dǎo)熱系數(shù)存在微小差異。
2.3.2 新型包扎結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果
新型包扎結(jié)構(gòu)仿真模型說明：管道外徑1 168mm；內(nèi)徑788 mm,從內(nèi)到外第1層是填充物．厚度為120 mm，其導(dǎo)熱系數(shù)按照實際硅酸鋁針刺毯在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)進行梯度設(shè)定：第2層是0.75 mm彩鋼板：第3層是空氣層，厚度為70 mm，其導(dǎo)熱系數(shù)按照空氣在不同溫度下的實際導(dǎo)熱系數(shù)進行梯度沒定；第4層是3 mm環(huán)保阻尼隔聲氈和0.75 mm彩鋼板。仿真結(jié)果如圖3所示。
仿真結(jié)果顯示，當(dāng)管道內(nèi)部溫度為425.0 ℃、環(huán)境溫度為25.0℃時，通過后處理切面和溫度探測，空氣層的外表面溫度為46.9℃。該結(jié)構(gòu)的保溫性能從仿真結(jié)果來看，優(yōu)于現(xiàn)有管道保溫包扎結(jié)構(gòu)。通過溫度探測第4層，即0.75 mm厚的鋼板的內(nèi)表面和外表面，溫度也是46.9℃,這是由于鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)通常在60 W/(m·K)以上，同時，彩鋼板厚度很薄，所以熱量幾乎全部從內(nèi)層傳遞到外層，無顯著熱損失。另外，通過溫度探測，第1層硅酸鋁針刺毯的外表面溫度是272.8℃，從而也可以證明硅膠減振支撐墊在該工況下的適用性，工作溫度在-100～350℃。
2.4新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)隔聲性能對比分析
由于現(xiàn)場管道包扎結(jié)構(gòu)為網(wǎng)弧形，在隔聲實驗室進行隔聲性能測試時，隔聲構(gòu)件難以制作和安裝，從易于安裝、方便測試的角度，擬將原來的圓弧結(jié)構(gòu)簡化為平板結(jié)構(gòu)。同時，由于該實驗為對比分析實驗，因此簡化模型是合理的。
試件外形尺寸：1 500 mmx1 500 mmx190 mm。
現(xiàn)有結(jié)構(gòu)試件描述：190 mm硅酸鋁針刺毯+0.75 mm彩鋼板。
新型結(jié)構(gòu)試件描述：120 mm硅酸鋁針刺毯+0.75 mm彩鋼板+70 mm空腔(有硅膠支撐)+3 mm環(huán)保阻尼隔聲氈+0.75 mm彩鋼板。
檢測地點：空氣聲隔聲實驗室。
測試環(huán)境：測試室溫度10℃，相對濕度50%。
聲源室容積：142.8 m3。
接收窒容積：107.5 1T13。
測試洞口尺寸：1 500 mmx1 500 mmx500 mm。
測試沒施與試驗樣件測試過程符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。測試示意如圖4所示。
經(jīng)過測試，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)的隔聲量數(shù)據(jù)如表1所示，其中，現(xiàn)有隔聲包扎結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量Rw為44 dB,新型隔聲包扎結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量Rw為49 dB。其頻譜對比如圖5所示。由此可得，新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，其計權(quán)隔聲量提高5 dB。從圖5可以看到，250 Hz以下頻帶，平均隔聲量提高約5.7 dB; 315～800 Hz頻帶，平均隔聲量提高約9.4 dB。
2.5新型復(fù)合包扎結(jié)構(gòu)實際隔聲效果分析
2.5.1 現(xiàn)場測試方案
為了驗證新型復(fù)合管道保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)的實際隔聲性能，本文擬定的測試方案如下。
(1)在較短一段時間內(nèi)（以保證運行工況的一致性），分別測試管道施工位置與其臨近上下游管道的噪聲值（新結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)銜接處采取斷開處理，避免側(cè)向傳聲影響），從而進行對比分析。
(2)測試方法采取噪聲隔離法（管道噪聲受外部噪聲影響較大，其他噪聲測試方法均無法排除外界噪聲干擾）．將噪聲隔離裝置放置于噪聲源表面，保證裝置四周與噪聲源交界處密封良好。將傳聲器通過噪聲隔離裝置頂端的傳聲器固定插孔伸入到裝置內(nèi)部進行噪聲測試，測試數(shù)值為交界面面元的噪聲值。該測試方法的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點1，對巾高頻噪聲識別較為準(zhǔn)確；優(yōu)點2，將整個噪聲輻射面分成若干單位面元，可以點帶面進行噪聲值估算（積分的方法）；優(yōu)點3，操作簡便，結(jié)果直觀，工作效率高，可短時間內(nèi)對噪聲源進行粗略分析與識別：缺點1，受裝置本身技術(shù)限值．低頻測試數(shù)值不準(zhǔn)確（裝置內(nèi)部有低頻混響．噪聲測試值偏大）；缺點2．測試結(jié)果僅能提供對比分析結(jié)果。
2.5.2現(xiàn)場測試結(jié)果分析
根據(jù)現(xiàn)場測試方案，測試數(shù)據(jù)如表2所示。
表2數(shù)據(jù)顯示，在將現(xiàn)有保溫包扎結(jié)構(gòu)替換為新型復(fù)合保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)后，等效A聲級降低6.4 dB。從實驗室數(shù)據(jù)可知，新型復(fù)合包扎結(jié)構(gòu)一1比現(xiàn)有包扎結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量Rw高5 dB,從單值評價量上看，新結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用效果優(yōu)于實驗室測試值。分析原因主要是由于高頻部分的差異性引起的。由于在實驗室進行隔聲量測試時，充分考慮了隔聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部和四周的密封性．岡此新型復(fù)合包扎結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有包扎結(jié)構(gòu)的高頻部分隔聲量基本相同。而現(xiàn)場的管道包扎結(jié)構(gòu)盡管從結(jié)構(gòu)組成上與實驗室測試的現(xiàn)有包扎結(jié)構(gòu)一致．但密封性較差，存在保溫棉接縫處搭接不嚴(yán)密或因薄厚不均造成的漏聲問題。但新型復(fù)合包扎結(jié)構(gòu)由于是多層結(jié)構(gòu)（起到多道密封效果），同時加入增加密封性的新型材料（環(huán)保阻尼隔聲氈）．因此高頻隔聲量的差異性得到顯現(xiàn)。
3經(jīng)濟性分析
如表3所示，為再熱冷段蒸汽管道直管段保溫隔聲包扎新結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的成本對比。其中，包扎厚度為190 mm,管道直徑為788 mm。
從表3可看出，以冷再管道包扎結(jié)構(gòu)改造工程為例，如采用新型復(fù)合管道保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)．成本將增加36%左右。但從汽機房整體管道改造工程看，并不是現(xiàn)有包扎管段全部需要進行保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)改造，需要保溫包扎的低噪聲管道無需改造。如果僅計算改造部分管段，管道包扎總成本增加不明顯。從汽機房整場的噪聲測試結(jié)果看，目前汽機房內(nèi)有些無需進行保溫包扎的管道噪聲較明顯，從噪聲控制角度，需要進行隔聲包扎，如果改造這部分管段，成本會有所增加。
4結(jié)語
本文通過理論分析與實驗驗證，得到一種在不改變原始包扎厚度與保溫性能的基礎(chǔ)上，能夠顯著提高低頻隔聲性能的新型復(fù)合保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)。由實驗數(shù)據(jù)可知，新型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，在250 Hz以下低頻部分，平均隔聲量提高約5.7 dB,即接收端噪聲能量下降約3.7倍；250～800 Hz中低頻段，噪聲能量下降約9.4 dB，即接收端噪聲能量下降約8.7倍。而整體計權(quán)隔聲量提高5 dB,即接收端噪聲能量下降約3.2倍。
由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知．A計權(quán)實際隔聲量下降6.4 dB,各頻帶的噪聲能量均有較大幅度下降，隔聲效果明顯。
但在實際應(yīng)用過程中，仍需注意以下3個問題：(l)各種包扎材料搭接處的密封性；(2)減振支撐結(jié)構(gòu)與內(nèi)層肓板的銜接工藝；(3)環(huán)保阻尼隔聲氈與外層盲板的粘接工藝。
摘 要：日前，常用的管道隔聲手段通常采用管道外壁包扎隔聲材料的方法。此類管道隔聲包扎結(jié)構(gòu)高頻隔聲效果較明顯．但在低頻，當(dāng)波長大于材料厚度10倍以上時，管道與包扎材料層易產(chǎn)生共振而使隔聲性能顯著下降。提出了一種在不改變原始包扎厚度與保溫性能的基礎(chǔ)上能夠顯著提高低頻隔聲性能的雙層分立式復(fù)合保溫隔聲包扎結(jié)構(gòu)，有效解決了現(xiàn)有保溫隔聲管道包扎結(jié)構(gòu)低頻隔聲性能差的問題。
